CN202730293U - 一种铸锭坩埚导热底座 - Google Patents

Abstract

一种铸锭坩埚导热底座，由导热材料制成，包括上平面部分、下平面部分和连接部分，连接部分位于上平面部分和下平面部分之间，并连接上平面部分和下平面部分；上平面部分与坩埚的底部支撑板形成良好热接触，所述下平面部分与铸锭炉体底部形成良好的热接触，上平面部分的形状和大小能包覆坩埚底面，其特征在于：所述连接部分横截面为矩形形状，连接部分的横截面的矩形长度与上平面部分长度相等，宽度不小于上平面部分宽度的四分之三。本实用新型将坩埚底座向铸锭炉内壁的传热方式由原来的以辐射方式变为以传导方式传递给铸锭炉内壁，使更多的热量从坩埚底部传输，有效地抑制了坩埚的径向热流，降低了多晶形成比例，提高了铸锭利用率。

Description

一种铸锭坩埚导热底座

技术领域

本实用新型涉及一种用于铸锭坩埚导热底座。 

背景技术

太阳能光伏发电作为一种最具潜力的可再生能源利用方式，成为取代传统的石化能源，支持人类可持续发展的主要技术，在最近五年来获得了飞速的发展。

目前晶体硅太阳能电池占据着光伏产业的主导地位。而硅片的成本占到了单多晶体硅成本的一半以上，因此降低硅片的成本，提高硅片的质量，对于光伏行业的发展有着极其重要的意义。

铸锭单晶硅，是一种通过铸锭的方式形成单晶硅的技术。铸锭单晶硅的功耗只比普通多晶硅多5%，所生产的单晶硅的质量接近直拉单晶硅。简单地说，这种技术就是用多晶硅的成本来生产单晶硅的技术。由于多晶硅电池存在晶界复合，以及所采用的酸制绒技术无法达到在单晶硅制作中所采用的碱制绒技术取得的优良制绒效果，一般的多晶硅电池光电转化效率要低于单晶硅1~2%。通过铸锭单晶硅技术，可以使多晶铸锭炉生产出接近直拉单晶硅的准单晶。在不明显增加硅片成本的前提下，使电池效率提高1%以上。

铸锭单晶硅主要有两种方法。一种是有籽晶的铸锭，另一种是没有籽晶的铸锭。有籽晶的铸锭技术先把籽晶、硅料掺杂元素放置坩埚中，籽晶一般位于坩埚底部。再加热融化硅料，并且保持籽晶不被完全融掉。最后控制降温，调节固液相的温度梯度，确保单晶从籽晶位置开始生长。无籽晶铸锭单晶方法的步骤基本和铸锭多晶相同；其要点是精密控制定向凝固时的温度梯度和晶体生长速度来提高多晶晶粒的尺寸大小，形成所谓的准单晶。一般铸锭准单晶的要求是在125单晶硅片中，某一单独的晶粒面积大于硅片面积的50%。这种准单晶硅片的晶界数量远小于普通的多晶硅片。无籽晶的单晶铸锭技术难点也在于控温。由于无籽晶铸锭技术对设备以及操作要求较高，目前商业化生产都采用有籽晶的铸锭单晶技术。这种技术既具有单晶硅材料低缺陷、高转换效率的优点，又具有铸锭技术的高产量、低能耗、低光致衰减的优点。

铸造准单晶技术先把籽晶、硅料掺杂元素放置坩埚中，籽晶一般位于坩埚底部。再加热融化硅料，在加热过程中需要保持籽晶不被完全融掉。最后控制降温，调节固液相的温度梯度，确保单晶从籽晶位置开始生长。这种技术的难点在于确保在第二步融化硅料阶段，籽晶不被完全融化，还有控制好温度梯度的分布，这个是提高晶体生长速度和晶体质量的关键。虽然铸造准单晶技术已经得到了产业化生产，但是目前仍然存在问题，即铸锭的良率目前较低，目前良率大约在40%~60%之间，这主要是由于铸锭周围多晶的产生严重影响了铸锭的利用率。铸锭周围多晶的形成主要是由于坩埚径向存在热量的传递，径向传热导致在坩埚壁附近容易产生抑制形核，这些晶核会随着径向传热的进行而长大，从而会形成铸锭四周的多晶区，同时铸锭生长过程中底部存在垂直方向的热流，径向热流与垂直热流的比例的大小对铸锭单晶的利用率有着重要的影响，若能够降低坩埚径向热流的比例，则可有效地抑制侧面的成核，降低铸锭多晶的比例，从而可以提高铸锭单晶的利用率。

目前常用的坩埚底座采用三根石墨支撑柱成品字形垂直放置在坩埚下面和铸锭炉底部之间，用来支撑和固定坩埚，铸锭炉底部由于采用比较强的散热的方式，如水冷方式，坩埚底部的热量借由这3根石墨支撑柱从铸锭炉底部散热，散热能力被3根石墨支撑柱的横截面面积限制，依赖底座到铸锭炉底部的辐射散热，因此坩埚底部的散热能力差，导致坩埚内部垂直方向的热流小，使坩埚径向热流比例增大，不利于抑制坩埚侧面的成核，降低了铸锭单晶的比例。

实用新型内容

为克服前述的坩埚底部散热能力差的问题，本实用新型提供一种用于铸锭单晶硅的坩埚底座。

一种铸锭坩埚导热底座，由导热材料制成，包括上平面部分、下平面部分和连接部分，连接部分位于上平面部分和下平面部分之间，并连接上平面部分和下平面部分；上平面部分与坩埚的底部支撑板形成良好热接触，所述下平面部分与铸锭炉体底部形成良好的热接触，上平面部分的形状和大小能包覆坩埚底面，其特征在于：所述连接部分12横截面为矩形形状，连接部分的横截面的矩形长度与上平面部分长度相等，宽度不小于上平面部分宽度的四分之三。

优选的，下平面部分和/或连接部分为导热性能强于石墨的材料制成，以加强热传导效果。

一个优选实施例，铸锭坩埚导热底座成外径一致的柱形形状，所述上平面部分、下平面部分和连接部分的横截面的形状和大小完全一致。这样既加强了连接部分的热传导效果，并且取得了较好的支撑牢固性。

再一个优选实施例，连接部分的横截面的宽度等于上平面部分横截面宽度的四分之三，即所述铸锭坩埚导热底座的垂直截面成工字形；所述连接部分垂直方向的几何中轴线与上平面部分、下平面部分的垂直方向的几何中轴线重合。减小连接部分的宽度尺寸，主要是出于节省成本的考虑，连接部分与上、下平面部分中轴线重合，则是为了保证支撑牢固。

    进一步的，对铸锭单晶硅用坩埚常见的规格，坩埚底面为边长780毫米的正方形，上平面部分可以取成和坩埚底面形状大小一样的正方形，即上平面部分的横截面也为边长780毫米的正方形，则连接部分的横截面可取为长度780毫米，宽度600毫米的矩形。

底座的上平面部分横截面的形状为正方形，以适应大量使用的底面为正方形的坩埚。

作为本实用新型的进一步改进，所述上平面部分分为环形边缘部分和中间部分，所述环形边缘部分为石墨制成，中间部分为导热性能强于石墨的材料制成，所述中间部分的形状和大小能包覆坩埚底面。这样加强了上平面部分的传热效果。

优选的，铸锭坩埚导热底座的上平面部分的环形边缘部分和中间部分的厚度是一样的，以方便制造。

优选的，底座的上平面部分横截面的形状为正方形，并且上平面部分的中间部分的形状也是正方形，以适应大量使用的底面为正方形的坩埚。

上述实施例中所述的导热性能强于石墨的材料优选为金属钼或者钨，因为钼和钨的导热性能强并且耐高温。

附图说明

图1示出本实用新型的铸锭坩埚导热底座的第一实施例示意图；

图2示出本实用新型的铸锭坩埚导热底座的第二实施例示意图；

图3示出本实用新型的铸锭坩埚导热底座优选的上平面部分示意图；

图4示出传统坩埚底座的铸锭炉结构和散热示意图；

图5示出采用本实用新型的坩埚底座的铸锭炉结构和散热示意图；

图6示出采用传统的坩埚底座的铸锭炉和采用本实用新型的坩埚底座的铸锭炉的铸锭的多晶比例的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

图1为本实用新型的铸锭坩埚导热底座的第一实施例示意图，一种铸锭坩埚导热底座，由导热材料制成，包括上平面部分11、下平面部分13和连接部分12，连接部分12位于上平面部分11和下平面部分13之间，并连接上平面部分11和下平面部分13；上平面部分11与坩埚的底部支撑板形成良好热接触，所述下平面部分13与铸锭炉体底部形成良好的热接触，上平面部分11的形状和大小能包覆坩埚底面，其特征在于：所述连接部分12横截面为矩形形状，连接部分12的横截面的矩形长度与上平面部分11长度相等，宽度不小于上平面部分11宽度的四分之三。

传统的坩埚底座包括上平面部分和下平面部分，上平面部分与承载坩埚的石墨底板形成良好的热接触，并且上平面部分的面积不小于坩埚底座的面积，下平面部分与水冷的铸锭炉内壁形成良好的热接触，上平面部分和下平面部分之间采用三根石墨支撑柱连接，这三根石墨支撑柱起到支撑作用，对承载坩埚的石墨底板进行支撑。这些石墨支撑柱的直径通常只有几十毫米，这个尺寸相对于外径接近一千毫米的坩埚底座面积显得微不足道，因此在散热过程中，坩埚底座的散热主要以辐射方式从承载坩埚的石墨底板向铸锭炉的内壁散热，严重限制了坩埚底部的散热。本实用新型对底座的连接部分进行了改进，扩展了连接部分的横截面积，横截面的矩形长度与上平面部分长度相等，宽度不小于上平面部分宽度的四分之三，由于上平面部分不小于坩埚底部面积的尺寸，因此本实用新型实际将横截面的面积扩展为长宽都达到数百毫米的矩形，坩埚底座向铸锭炉内壁的传热方式由原来的以辐射方式变为以传导方式传递给铸锭炉内壁，使更多的热量从坩埚底部传输，有效地抑制了坩埚的径向热流，降低了多晶形成比例，提高了铸锭利用率。

图2为本实用新型的铸锭坩埚导热底座的第二实施例示意图，第二实施例中本实用新型所述的铸锭坩埚导热底座的上平面部分11、下平面部分13和连接部分12外径形状大小一致，整个底座成柱形结构，显然，这种实施方式使连接部分的横截面面积最大，增强了传热效果。

为了节省成本，横截面的宽度也可以取小，但不能取得太小，以保证底座能够稳固的支撑数百公斤的坩埚和内部盛装的硅料等的重量，出于这样的考虑，宽度可以等于上平面部分11宽度的四分之三，但不应该小于上平面部分11宽度的四分之三。

对铸锭用坩埚常见的规格，坩埚底面为边长780毫米的正方形，上平面部分11与坩埚底面的形状大小都一样时，则连接部分12的横截面长度可取为与所述铸锭坩埚导热底座的上平面部分11的边长相等，宽度略大于上平面部分11的边长四分之三的矩形，例如为长度780毫米，宽度600毫米的矩形。

铸锭坩埚导热底座通常情况下采用石墨制造，为提高热传导性能，本实用新型所述的铸锭坩埚导热底座的连接部分或者下平面部分可以采用导热性能强于石墨的材料制作。坩埚加热融化硅料的过程中，温度会上升到1500摄氏度以上，由于钼和钨的耐热性和高温下不挥发性和抗氧化性，优选可以用钨或者钼金属制作。

由于截面为正方形的坩埚的加热性能最好，因此这种坩埚得到了广泛使用，为配合这种坩埚正方形的底座形状，本实用新型所述的铸锭坩埚导热底座的上平面部分11的形状优选为正方形，这个正方形的面积应该大于坩埚底座的面积。

图3为本实用新型中对铸锭坩埚导热底座的上平面部分11的一种进一步改进的方式，上平面部分11分为环形边缘部分15和中间部分14，所述环形边缘部分15为石墨制成，中间部分14为导热系数高于石墨的材料制成，从表面平整度考虑，环形边缘部分15和中间部分14的厚度最好是相同的。中间部分14的尺寸应不小于坩埚底部的尺寸。制作中间部分14的优选的材料如上文所述，可以使用钨或者钼。

如前文所述，当上平面部分11的形状为正方形时，相应的，上平面部分11的中间部分14的形状也为正方形，并且中间部分14的形状和大小能包覆坩埚底面，以达到较好的散热效果。

前文所述的对铸锭用坩埚底座的连接部分12的改进及优选实施方式和图3所示的对铸锭用坩埚底座的上平面部分11及优选实施方式可以单独使用，显然也可以组合使用，用户可以在制造的成本和传热性能间权衡折衷，选择不同的优选方案单独使用或者组合使用，以达到最佳的使用结果。 

下面描述对比传统坩埚底座和本实用新型所述铸锭坩埚导热底座在具体使用时的差别：

以图4所示为例，铸造单晶的制备过程如下：首先准备好籽晶与坩埚，将籽晶放在坩埚的底部，然后在籽晶的上方放入多晶硅与母合金，然后将石墨护板3和6分别安装在坩埚4的四周与底部，然后将其放入铸锭炉1，位于坩埚顶部的顶部加热器8和坩埚侧面的侧面加热器9对坩埚4进行加热，经过加热、熔化、长晶、退火和冷却5个阶段后，即可取出铸锭。传统的铸锭炉的长晶过程如下：隔热笼2慢慢向上提，熔化了的硅料5热量从坩埚壁和坩埚底部传输出来，传统的坩埚底座7由三根支撑柱制成，由于坩埚底座7与坩埚底部和铸锭炉内壁的接触面积有限，因此坩埚底部的热量主要通过辐射方式传给铸锭炉壁。如图4所示，辐射传热的传热方式效率低，导致铸造出的铸锭在周围存在多晶区域，从而影响铸锭单晶的收益率。

使用本实用新型所述的铸锭坩埚导热底座，与图4所示的传统的三根石墨支柱的坩埚底座结构相比，连接部分12的横截面积与传统结构相比大大增大，如图5所示，这样的结构改变了坩埚底部热量的传热方式，坩埚底部的热量由原来的辐射方式传给铸锭炉内壁变为以热传导方式传给铸锭炉内壁，增强了坩埚内部垂直方向热量传输，大大降低了坩埚径向热量传输与垂直方向热量传输的比例，明显缩小了铸锭周围多晶的生长区域。图6给出了采用传统的坩埚底座的铸锭炉和采用本实用新型所述的铸锭坩埚导热底座的铸锭炉的铸锭多晶比例的对比示意图，图6的上半部分为传统的坩埚底座的铸锭炉的多晶比例，下半部分为采用本实用新型提供的铸锭用坩埚底座的铸锭炉的多晶比例，采用本实用新型提供的铸锭坩埚导热底座，多晶产生的比例相比传统方式明显降低。

本实用新型使用的铸锭坩埚导热底座与传统的铸锭炉设备相兼容，不需要增加设备，工艺成本较低，产能较大，具有非常好的产业前景。

以上所述的仅为本实用新型的优选实施例，所述实施例并非用以限制本实用新型的专利保护范围，因此凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。 

Claims (10)

1.一种铸锭坩埚导热底座， 由导热材料制成，包括上平面部分（11）、下平面部分（13）和连接部分（12），连接部分（12）位于上平面部分（11）和下平面部分（13）之间，并连接上平面部分（11）和下平面部分（13）；上平面部分（11）与坩埚的底部支撑板形成良好热接触，所述下平面部分（13）与铸锭炉体底部形成良好的热接触，上平面部分（11）的形状和大小能包覆坩埚底面，其特征在于：所述连接部分（12）横截面为矩形形状，连接部分（12）的横截面的矩形长度与上平面部分（11）长度相等，宽度不小于上平面部分（11）宽度的四分之三。

2.如权利要求1所述的一种铸锭坩埚导热底座，其特征在于：所述下平面部分（13）和/或连接部分（12）为导热性能强于石墨的材料制成。

3.如权利要求1所述的一种铸锭坩埚导热底座，其特征在于：所述铸锭坩埚导热底座成外径一致的柱形形状，所述上平面部分（11）、下平面部分（13）和连接部分（12）的横截面的形状和大小完全一致。

4.如权利要求1所述的铸锭坩埚导热底座，其特征在于：所述连接部分（12）的横截面的宽度等于上平面部分（11）横截面宽度的四分之三；所述连接部分（12）垂直方向的几何中轴线与上平面部分（11）、下平面部分（13）的垂直方向的几何中轴线重合。

5.如权利要求1所述的铸锭坩埚导热底座，其特征在于：所述上平面部分（11）横截面为边长为780毫米的正方形，连接部分（12）的横截面的宽度等于600毫米，长度为780毫米；所述连接部分（12）垂直方向的几何中轴线与上平面部分（11）、下平面部分（13）的垂直方向的几何中轴线重合。

6.如权利要求1所述的铸锭坩埚导热底座，其特征在于：所述底座的上平面部分（11）横截面的形状为正方形。

7.如权利要求1所述的铸锭坩埚导热底座，其特征在于：所述上平面部分（11）分为环形边缘部分（15）和中间部分（14），所述环形边缘部分（15）为石墨制成，中间部分（14）为导热性能强于石墨的材料制成，所述中间部分（14）的形状和大小能包覆坩埚底面。

8.如权利要求7所述的铸锭坩埚导热底座，其特征在于：所述铸锭坩埚导热底座的上平面部分（11）的环形边缘部分（15）和中间部分（14）的厚度是一样的。

9.如权利要求7所述的铸锭坩埚导热底座，其特征在于：所述底座的上平面部分（11）横截面的形状为正方形，所述上平面部分的中间部分（14）的形状也是正方形。

10.如权利要求2或7任意一项所述的铸锭坩埚导热底座，其特征在于：所述导热性能强于石墨的材料为金属钼或者钨。

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